Để tổng hợp Gemini 16-6-16, 5,2 mmol N, N-dimetylhexadecylamin và 2,5 mmol adipoyl clorua được hòa tan riêng biệt trong 70 và 30 ml THF. Sau đó, cho hỗn hợp N, N-dimetylhexadecylamin vs THF vào 1 bình cầu 3 cổ đáy trịn, khơ. Thêm từng giọt dung dịch adipoyl clorua qua một phễu chiết gắn vào bình phản ứng, trong khi vẫn giữ khuấy hỗn hợp bằng máy khuấy từ. Phản ứng được tiếp tục trong 24 giờ ở 35 ° C.
Hình 2.9: Quy trình sản xuất Gemini 16-6-16.
Ngồi ra, người ta cịn tổng hợp chất hoạt động bề mặt Gemini bằng phương pháp không sử dụng chất xúc tác, tạo điều kiện cho q trình tổng hợp xanh, hạn chế ơ nhiễm môi trường.
19
Chương 3
Ứng dụng làm chất ổn định AgNPs và chất diệt khuẩn 3.1 Ứng dụng làm chất ổn định AgNPs
Trong một báo cáo mới đây nhất, Bogumił Bryck và cộng sự đã tiến hành khảo sát khả năng ổn định và phân tán hạt nano bạc bằng cách tạo cấu truc micelle giữa chất hoạt động bề mặt gemini 16-6-16 với AgNPs được tạo ra thơng qua việc khử AgNO3 bằng NaBH458. Ơng và cộng sự giải thích rằng các chất hoạt động bề mặt cation gemini có thể bị hấp phụ trên bề mặt hạt do tương tác tĩnh điện giữa nhóm đầu mang điện tích dương chất hoạt động bề mặt và các chất phản điện gắn trên bề mặt hạt nano. Điều này gây ra sự hình thành các lớp phủ, làm giảm sự kết tụ của các hạt59
Hình 3.1: Cấu trúc micelle của 16-6-16 với AgNPs
Ngồi ra, ơng và cộng sự cịn chỉ ra rằng việc thay đổi tỉ lệ mol giữa chất hoạt động bề mặt gemini 16-6-16 với Ag cũng ảnh hưởng đáng kể đến sự hình thành cấu trúc micelle, ổn định và phân tán hạt nano bạc
20
Bảng 3.1: Bố trí thí nghiệm tỉ lệ mol Ag/Gemini:
Thí nghiệm Chất hoạt động bề mặt Tỉ lệ mol Ag/Gemini
1 16-6-16 2.5
2 16-6-16 5
3 16-6-16 10
UV-vis là phương pháp cần thiết để quan sát sự hình thành và độ ổn định của nano bạc. Đỉnh độ hấp thụ của các hạt nano bạc thường xuất hiện ở dải bước sóng 350–450 nm, và di chuyển đến các bước sóng dài hơn với kích thước hạt tăng dần60. Trong Hình 3.2, phổ UV-Vis của AgNPs, được ổn định với 16-6-16 được trình bày. Phổ được đo cho ba tỷ lệ mol chất hoạt động bề mặt Ag-to-gemini khác nhau: nAg / n16-6-16 = 2,5; 5; 10. Chúng ta có thể thấy điều đó từ gemini cao nhất nồng độ (thí nghiệm 1) xuống thấp nhất (thí nghiệm 3), đỉnh độ hấp thụ tăng dần: 0,286, 0,332 và 0,359. Như đã biết, độ hấp thụ được kết nối trực tiếp với nồng độ, do đó, vì sự khác biệt là khơng đáng kể, có thể kết luận rằng 16-6-16 có tác dụng ổn định mạnh mẽ đối với AgNPs trong phạm vi rộng của giá trị tỷ lệ mol nAg / n16-6-16.
21
Bảng 3.2: kết quả phổ UV-vis của thí nghiệm 1,2,350.
Thí nghiệm Wavelength (nm) Đỉnh hấp thụ
1 420 0.286
2 435 0.332
3 425 0.359
Một nghiên cứu khác được thực hiện bởi Siddiq và cộng sự đã chỉ ra rằng, chất hoạt động bề mặt Gemini 16-6-16 có tác động hiệu quả cả về mặt kinh tế cũng như môi trường trong việc sử dụng làm chất ổn định và phân tán hạt AgNPs61. Sau khi xác định đã hình thành hạt nano bạc trong dung dịch bằng phương pháp đo UV-vis ( đỉnh hấp thu tại bước sóng 400 nm) và XRD, họ đã tiến hành chụp HR TEM và đo DLS để xác định được kích thước hạt nano đã được thành lập bằng cách sử dụng Gemini 16-6-16 làm tác nhân ổn định.
Hình 3.3: Kết quả UV-vis và XRD53.
Kết quả chụp HR TEM của Siddiq cho thấy hạt nano bạc đã được hình thành có kích thước từ 8 đến 17nm, cho kết quả trung bình kích thước hạt là 10nm ±1 (Hình 3.4). Tuy nhiên, kết quả chụp DLS lại có tự khác biệt khi kích thước hạt dao động từ 2 đến 50nm (Hình 3.5). Sự khác biệt trong kết quả thu được từ ảnh hiển vi HRTEM và máy phân tích
22
kích thước hạt là do hiện tượng tán xạ ánh sáng động (DLS) cung cấp tồn bộ kích thước liên hợp, cũng tính cả lớp ổn định của chất hoạt động bề mặt được hình thành. Điều đó chỉ ra rằng, hạt nano đã hình thành cấu trúc micelle với Gemini 16-6-16.
Hình 3.4: Kết quả chụp HR TEM53.
23
Có thể sử dụng tiềm năng Zeta để hiểu sâu hơn về tính ổn định của chất keo thu được AgNPs. Độ lớn của điện thế zeta cho thấy sự ổn định tiềm năng của chất keo. Nó cần lưu ý rằng các hạt có giá trị thế zeta dương hơn +30 mV trở lên và âm hơn −30 mV được coi là ổn định62. Các hạt nano kim loại có kích thước lớn tiềm năng có giá trị tuyệt đối zeta lớn, có xu hướng đẩy lùi nhau và chúng khơng thể hiện bất kỳ lực phân bổ nào để đến với nhau. Tuy nhiên, trong trường hợp giá trị thế Zeta tuyệt đối thấp, những hạt này kết tụ lại với nhau do khơng có lực đẩy ngăn cản sự kết tụ. Hình 3.6 cho thấy kết quả thế Zeta của AgNP kết hợp với Gemini 16-6-16 là 49,2 mV, cho thấy sự ổn định tốt của các AgNP được tổng hợp.
Hình 3.6: Kết quả đo điện thế Zeta của AgNPs kết hợp với Gemini 16-6-16 làm chất ổn định53.
Từ những kết quả trên cho thấy, chất hoạt động Gemini 16-6-16 có tác dụng ổn định và phân bố hạt nano bạc hiệu quả, tạo điều kiện cho quá trình bảo quản AgNPs tránh sự kết tụ và nâng cao các tính năng của nano bạc.
24
3.2 Ứng dụng làm chất diệt khuẩn
Nano bạc được biết đến nhiều nhất với khả năng kháng khuẩn mạnh mẽ với phổ kháng khuẩn rộng với nhiều loại vi khuẩn, cả gram âm và gram dương. Tuy nhiên, vẫn chưa có kết luận chính xác về cách hoạt động của hạt AgNPs, vì vậy, việc sử dụng chất hoạt động bề mặt Gemini 16-6-16 để không những làm chất ổn định và phân tán hạt nano, mà bên cạnh đó cịn nâng cao được khả năng kháng khuẩn của nano bạc là một giải pháp hiệu quả. Hiệu quả kháng khuẩn của AgNPs đã được thử nghiệm thêm bằng cách sử dụng tấm thơng thường phương pháp đếm. Hình 3.7 A và B chứng minh hiệu suất tiêu diệt phụ thuộc vào nồng độ của AgNPs chống lại E. coli và S. aureus. Hình 3.7 C cho thấy hiệu quả tiêu diệt phụ thuộc vào thời gian của các AgNP. Người ta lưu ý rằng hơn 70% tế bào E. coli và S. aureus bị tiêu diệt tại nồng độ 1,5 và 5,0 µg / mL AgNPs (Hình 3.7 A và B). Tăng nồng độ AgNPs đến 2,0 và 6,0 µg / mL gây ra 99,9% và 98% tiêu diệt tế bào. Tương tự, thí nghiệm động học phụ thuộc vào thời gian (Xem hình 3.7 C) cho thấy rằng hơn 90% tế bào bị giết bởi AgNP ở cùng nồng độ (2,0 và 6,0 µg / mL) trong vịng 7 giờ và 98-99,9% Việc giết chết được ghi nhận khi tăng thời gian ủ lên 8 h. Nồng độ và thời gian do đó, hoạt động kháng khuẩn phụ thuộc, gợi ý rằng sự tương tác của AgNPs với E. coli và S.aureus gây chết tế bào53.
25
Hình 3.7: (A và B) Hiệu quả tiêu diệt E. coli và S. aureus (C) phụ thuộc vào nồng độcho biết thời gian bị giết bởi AgNPs53.
26
Chương 4: Kết luận
Kích thước và sự phân bố của các hạt AgNPs là rất quan trọng, ảnh hưởng trực tiếp đến tính chất và hiệu quả của hạt nano. Vì vậy việc sử dụng Gemini 16-6-16 làm tác nhân ổn định đã cho thấy được vai trò của chất hoạt động bề mặt trong nano bạc nói riêng và trong lĩnh vực vật liệu nano nói chung. Gemnini 16-6-16 mang đến hiệu quả về mặt kinh tế cũng như mơi trường qua việc ít độc tố đối với mơi trường thủy sinh, nồng độ CMC thấp. Bên cạnh đó, chất hoạt động bề mặt này cịn góp phần nâng cao khả năng kháng khuẩn ứng dụng vào trong lĩnh vực làm chất diệt khuẩn. Đặc biệt là trong giai đoạn cả thế giới phải chiến đấu với dịch bệnh. Nhiều nghiên cứu chỉ ra rằng việc sử dụng nano bạc làm tác nhân kháng khuẩn có khả năng tiêu diệt được virus Corona63, hỗ trợ làm tác nhân kháng khuẩn góp phần hạn chế sự lây lan của dịch bệnh. Tuy nhiên vẫn cần nhiều nghiên cứu thêm để tạo cơ sở cho khả năng này của nano bạc.
Tuy nhiên, Gemini 16-6-16 chỉ là một chất hoạt động bề mặt nhỏ trong cả một nhóm chất hoạt động bề mặt Gemini. Vì vậy, cần phải khơng ngừng nghiên cứu để tìm ra những chất hoạt động bề mặt khác càng mạnh mẽ hơn nữa, ứng dụng vào thực tiễn đời sống nhiều hơn nữa, phù hợp với quy mơ cơng nghiệp hóa, ít độc tố và thân thiện với mơi trường hơn nữa để phù hợp với tiêu chuẩn sống hiện đại.
27
Tài liệu tham khảo
1 Mallick, S., Sanpui, P., Ghosh, S. S., Chattopadhyay, A., & Paul, A. (2015). Synthesis, characterization and
enhanced bactericidal action of a chitosan supported core–shell copper–silver nanoparticle composite. RSC Advances, 5(16), 12268–12276. doi:10.1039/c4ra12770f
2 Htwe, Y. Z. N., & Mariatti, M. (2020). Fabrication and characterization of silver nanoparticles/PVA composites
for flexible electronic application. 3RD INTERNATIONAL POSTGRADUATE CONFERENCE ON
MATERIALS, MINERALS & POLYMER (MAMIP) 2019. doi:10.1063/5.0016135
3 Kora AJ, Manjusha R, Arunachalam J. Superior bactericidal activity of SDS capped silver nanoparticles: synthesis and characterization. Materials Science and Engineering: C. 2009;29:2104-9.
4 Alam M, Siddiq AM, Narayanan SS, Das SK, Samanta D, Mandal AB. Synthesis and Association of Ag (0) Nanoparticles in Aqueous Nonionic Surfactant Triton X-100 Solution: A Facile Approach for Antibacterial Application. Materials Focus. 2014;3:156-62.
5 Alam M, Siddiq AM, Narayanan SS, Samanta D, Das SK. Cationic Surfactant (CTAC) Assisted Synthesis of Silver Nanoparticles with Controlled Size: Optical, Morphological and Bactericidal Studies. Journal of Nanoengineering and Nanomanufacturing. 2015;5:124-31.
6 Shrivastava S, Bera T, Roy A, Singh G, Ramachandrarao P, Dash D. Characterization of enhanced antibacterial effects of novel silver nanoparticles. Nanotechnology. 2007;18:225103.
7 Teeguarden JG, Hinderliter PM, Orr G, Thrall BD, Pounds JG. Particokinetics in vitro: dosimetry considerations for in vitro nanoparticle toxicity assessments. Toxicological Sciences. 2007;95:300-12.
8 Alexander JW. History of the Medical Use of Silver. SurgInfect(Larchmt) 2009; 10:289–92.
9 U. Klueh, V. Wagner, S. Kelly, A. Johnson, J.D. Bryers.Efficacy of silver-coated fabric to prevent bacterial
colonization and subsequent device-based biofilm formation.J. Biomed. Mater. Res. Part B: Appl.
Biomater., 53 (2000), pp. 621-631.
10 Almayahi BA, Alhusseini LB. Synthesis and applications of silver nanoparticles on bacterial pathogens activity.
Int J ChemTech Res 2016;9:287–98.doi:10.1016/j.arabjc.2010.04.008.
11 Y.W. Cao, R. Jin, C.A. Mirkin.DNA modified core shell Ag/Au nanoparticles.J. Am. Chem. Soc., 123 (2001),
pp. 7961-7962
12 P. Pourali, M. Baserisalehi, S. Afsharnezhad, J. Behravan, H. Alavi, A. Hosseini.Biological synthesis of silver and
gold nanoparticles by bacteria in different temperatures (37 °C and 50 °C).J. Pure. Appl. Microbiol., 6 (2012),
pp. 757-763
13 S.S.Das, S. Alkahtani, P. Bharadwaj,, M.T. Ansari, M.D. ALKahtani, Z. Pang, M.S. Hasnain, A.K. Nayak, T. Am inabhavi. Molecular insights and novel approaches for targeting tumor metastasis. Int. J. Pharm., 585 (2020), p. 119556
14 Menger, F.M.; Littau, C.A. Gemini-surfactants: Synthesis and properties. J. Am. Chem. Soc. 1991, 113, 1451–
1452.
28
15 Alami, E.; Beinert, G.; Marie, P.; Zana, R. Alkanediyl-α,-bis(dimethylalkylammonium bromide) surfactants. 3.
Behavior at the air-water interface. Langmuir 1993, 9, 1465–1467.
16 Brycki, B.; Szulc, A.; Koenig, H.; Kowalczyk, I.; Pospieszny, T.; Górka, S. Effect of the alkyl chain length on
micelle formation for bis(N-alkyl-N,N-dimethylethylammonium)ether dibromides. C. R. Chim. 2019, 22, 386–392.
17 Koziróg, A.; Brycki, B. Monomeric and gemini surfactants as antimicrobial agents—Influence on environmental
and reference strains. Acta Biochim. Pol. 2015, 62, 879–883.
18 Rajakumar, G., & Abdul Rahuman, A. (2011). Larvicidal activity of synthesized silver nanoparticles using Eclipta
prostrata leaf extract against filariasis and malaria vectors. Acta Tropica, 118(3), 196–203.
doi:10.1016/j.actatropica. 2011.03
19 Narayanan, K. B., & Sakthivel, N. (2011). Extracellular synthesis of silver nanoparticles using the leaf extract of
Coleus amboinicus Lour. Materials Research Bulletin, 46(10), 1708–1713. doi:10.1016/j.materresbull.2011.0
20 Brycki, B.; Waligórska, M.; Szulc, A. The biodegradation of monomeric and dimeric alkylammonium surfactants.
J. Hazard. Mater. 2014, 280, 797–815.
21 Zhang, S.; Ding, S.; Yu, J.; Chen, X.; Lei, Q.; Fang, W. Antibacterial Activity, in Vitro Cytotoxicity, and Cell
Cycle Arrest of Gemini Quaternary Ammonium Surfactants. Langmuir 2015, 31, 12161–12169.
22 Obł ˛ak, E.; Piecuch, A.; Krasowska, A.; Łuczy´nski, J. Antifungal activity of gemini quaternary ammonium salts.
Microbiol. Res. 2013, 168, 630–638.
23 C.A. Bunton, L. Robinson, J. Schaak, M.F. Stam, Catalysis of nucleophilic substitutions by micelles of dicationic detergents, J. Org. Chem. 36 (1971) 2346–2350, https://doi.org/10.1021/jo00815a033.
24 F. Devinsky, I. Lacko, F. Bittererova, L. Tomeckova, Relationship between structure, surface activity, and micelle formation of some new bisquaternary isosteres of 1,5-pentanediammonium dibromides, J. Colloid Interface Sci. 114 (1986) 314–322, https://doi.org/10.1016/0021-9797(86)90417-0.
25 M. Okahara, A. Masuyama, Y. Sumida, Y.P. Zhu, Surfactant activity of a new type of amphipathic compound with two hydrophilic ionic groups and two lipophilic alkyl chains, Oil Chem. 37 (1988) 746–748,
https://doi.org/10.5650/ jos1956.37.746.
26 F.M. Menger, C.A. Littau, Gemini-surfactants: synthesis and properties, J. Am. Chem. Soc. 113 (4) (1991) 1451– 1452, https://doi.org/10.1021/ja00004a077
27 F.M. Menger, C.A. Littau, Gemini surfactants: a new class of self-assembling molecules, J. Am. Chem. Soc. 115 (1993) 10083–10090, https://doi.org/ 10.1021/ja00075a025.
28 F.M. Menger, J.S. Keiper, V. Azov, Gemini Surfactants with Acetylenic Spacers, Langmuir 16 (2000) 2062– 2067, https://doi.org/10.1021/la9910576.
29 Brycki, B.E.; Kowalczyk, I.H.; Szulc, A.; Kaczerewska, O.; Pakiet, M. Multifunctional Gemini Surfactants:
Structure, Synthesis, Properties and Applications. In Application and Characterization of Surfactants; Najjar, R., Ed.; InTech: Rijeka, Croatia, 2017; ISBN 978-953-51-3325-4.
29
30 Laschewsky A, Wattebled L, Arotỗarộna M, Habib-Jiwan JL, Rakotoaly RH. Synthesis and properties of cationic
oligomeric surfactants. Langmuir. 2005;21(16):7170-7179
31 Yoshimura T, Chiba N, Matsuoka K. Supra-long chain surfactants with double or triple quaternary ammonium
headgroups. Journal of Colloid and Interface Science. 2012 May;374(1):157-163
32 Łuczyński J, Frąckowiak R, Włoch A, Kleszczyńska H, Witek S. Gemini ester quat surfactants and their biological activity. Cellular and Molecular Biology Letters [Internet]. 2013 Jan 1 [cited 2017 Jan 20];18(1). Available from: http://www.degruyter.com/view/j/cmble.2013.18.issue-1/s11658-012-0041-4/s11658-012-0041- 4.xml
33 Migahed MA, Rashwan SM, Kamel MM, Habib RE. Synthesis, characterization of polyaspartic acid-glycine
adduct and evaluation of their performance as scale and corrosion inhibitor in desalination water plants. Journal of Molecular Liquids 2016 Dec;224:849-858
34 Cao K, Sun HY, Hou BR. Corrosion inhibition of Gemini surfactant for copper in 3.5%
NaCl. Advances in Materials Research. 2014 Jun;936:1125-1131
35 Mobin M, Aslam R, Zehra S, Ahmad M. Bio-/environment-friendly cationic gemini surfactant as novel corrosion
inhibitor for mild steel in 1 M HCl solution. Journal of Surfactants and Detergents. 2017 Jan;20(1):57-74
36 Paulus W. Directory of Microbiocides for the Protection of Material. A Handbook. Dordrecht, The Netherlands:
Springer; 2005
37 Cross J, Singer J. Cationic Surfactants, Analytical and Biological Evaluation. New York, USA: Marcel Dekker;
1994
38 Brycki B, Szulc A. Gemini alkyldeoxy-D-glucitolammonium salts as modern surfactants and microbiocides:
Synthesis, antimicrobial and surface activity, biodegradation. Johnson SJ, editor. PLoS ONE. 2014 Jan8;9(1):e84936
39 Zhang S, Ding S, Yu J, Chen X, Lei Q, Fang W. Antibacterial activity, in vitro cytotoxicity, and cell cycle arrest
of Gemini quaternary ammonium surfactants. Langmuir. 2015 Nov10;31(44):12161-12169
40 Russell AD. Biocide use and antibiotic resistance: the relevance of laboratory findings to clinical and
environmental situations. Lancet Infectious Diseases. 2003;3(12):794-803
41 Zhang S, Ding S, Yu J, Chen X, Lei Q, Fang W. Antibacterial activity, in vitro cytotoxicity, and cell cycle arrest
of Gemini quaternary ammonium surfactants. Langmuir. 2015 Nov 10;31(44):12161-12169
42 Kuperkar K, Modi J, Patel K. Surface-active properties and antimicrobial study of conventional cationic and
synthesized symmetrical Gemini surfactants. Journal of Surfactants and Detergents. 2012 Jan;15(1):107-115
43 Koziróg A, Brycki B. Monomeric and gemini surfactants as antimicrobial agents—influence
on environmental and reference strains. Acta Biochimica Polonica. 2015;62(4): 879-883
44 Tiwari AK, Gangopadhyay S, Chang CH, Pande S, Saha SK. Study on metal nanoparticles synthesis and
orientation of gemini surfactant molecules used as stabilizer. Journal of Colloid and Interface Science. 2015 May;445:76-83
30
45 Ansari WH, Fatma N, Panda M, Kabir-ud D. Solubilization of polycyclic aromatic hydrocarbons by novel
biodegradable cationic gemini surfactant ethane-1,2-diyl bis(N,N-dimethyl-N-hexadecylammoniumacetoxy) dichloride and its binary mixtures with conventional surfactants. Soft Matter. 2013;9(5):1478